来自美国贝勒医学院（Baylor College of Medicine）Verna和Marrs McLean生化与分子生物学系大分子成像国家中心，以及德克萨斯大学西南医学中心的研究人员利用低温电子显微镜技术首次获得了结合在GroES上的分子伴侣GroEL（SR398）单环突变体的结构，从而发现当环境条件与蛋白天然环境一致时，蛋白质以及多蛋白质聚合物会表现出与静态时不同的作用或动力学——而这正是目前大多数科学家研究蛋白质的状态，这对于蛋白质研究来说是一个警示。这一研究成果发表在《Structure》杂志上。

该研究的第一作者是来自贝勒医学院的陈东华，第二作者为德州大学西南医学中心的宋久利。

蛋白质折叠有两种形式：一种是蛋白质能自发地获得其成熟的构型，这种能力被称为自我装配；另一种情况下，蛋白质可能会采取一种与最终构型不同的稳定构型，这种蛋白质不能进行自我装配，它们形成正确的结构需要分子伴侣的协助。

分子伴侣家族庞大，包括Hsp70、Hsp40和Hsp10等，其中Hsp60在大肠杆菌中称为GroEL，Hsp10在大肠杆菌中称为GroES。大肠杆菌GroEL是同型寡聚复合体，由14个相对分子质量58×10³亚基组成背靠背的双环结构，在新生蛋白质的正确折叠和组装以及在热或化学逆境下变性蛋白质的恢复过程中起重要作用，也帮助折叠错误的蛋白质分子逆转——折叠错误的蛋白质与许多神经退行性疾病有关。

在这项研究中，陈东华等人利用低温电子显微镜得到了GroEL蛋白突变体在仿天然环境下单个分子的详细二维图像，然后利用计算机和生物信息学方法，将这些图像整合成三维图像，演示这些蛋白质的动力学。

奇怪的是，当研究人员组合GroEL突变体和GroES蛋白时，发现在得到的三种结构中，有两种与预期相同，但第三种结构看起来十分奇怪，就像一个鼓起来的气球。研究人员表示这是一种从未被观测到的膨胀现象。

因此，研究人员认为，在原始天然环境和研究环境中，不同的蛋白质可能具有不同的形状而影响其功能，这也就是说目前的许多蛋白质研究可能会造成一些误解，大分子性能表现研究需要在溶液环境中进行。

核心观点：蛋白质的构象和功能高度依赖于其天然环境，静态条件下的研究可能无法反映真实情况，因此蛋白质研究应尽可能在接近生理条件的溶液环境中进行。

（生物通：张迪）

附：蛋白质设计与结构预测

蛋白质设计是结构生物学的重要方向。华盛顿大学HHMI研究员David Baker教授领导的团队开发了ROSETTA计算机程序，用于蛋白质结构预测和设计。该程序通过计算给定蛋白质构象的能量，消除不可能的构象，检测大约一百万种具有最低能量结构的可能构象。自1998年起，Baker团队参加CASP（蛋白质结构预测技术关键评估）实验，ROSETTA在这些测试中表现良好。

蛋白质设计方面，1998年加州理工大学的Stephen Mayo和合作者计算了一种折叠成自然发生的锌指结构的序列。2003年，北加州大学教授Brian Kuhlman利用ROSETTA设计了高度稳定的蛋白质Top7，其序列和结构与所有已知蛋白质不相关。此外，研究人员还成功设计了具有催化活性的酶、生物传感器等。

蛋白质设计在医学领域也有重要应用。例如，针对阿尔茨海默病和帕金森病等与蛋白质错误折叠相关的疾病，UCLA的David Eisenberg研究小组分析了淀粉样纤维的结构。此外，设计的内切酶可用于基因治疗，如修复遗传缺陷或灭活疟原虫生存所需的蚊子基因。

David Baker团队还开发了分布式计算版本的ROSETTA，称为rosetta@home，利用全球成千上万台计算机的计算能力，加速蛋白质结构预测和设计。目前，该团队正致力于设计HIV疫苗等重大挑战。

参考文献

1. P. Bradley et al., "Toward high-resolution de novo structure prediction for small proteins," Science, 309:1868-71, 2005.

2. B. Kuhlman et al., "Design of a novel globular protein fold with atomic level accuracy," Science, 302:1364-8, 2003.

3. D.N. Bolon, S.L. Mayo, "Enzyme-like proteins by computational design," Proc Natl Acad Sci, 98:14274-9, 2001.

4. L.L. Looger et al., "Computational design of receptor and sensor proteins with novel functions," Nature, 423:185-90, 2003.

5. M.A. Dwyer et al., "Computational design of a biologically active enzyme," Science, 304:1967-71, 2004.

6. T. Kortemme et al., "Computational redesign of protein-protein interaction specificity," Nat Struct Mol Biol, 11:371-9, 2004.

7. B.S. Chevalier et al., "Design, activity, and structure of a highly specific artificial endonuclease," Mol Cell, 10:895-905, 2002.

8. J. Ashworth et al., "Computational redesign of endonuclease DNA binding and cleavage specificity," Nature, in press, 2006.

9. R. Nelson, "Structure of the cross-b spine of amyloid-like fibrils," Nature, 435:773-8, 2005.

10. M.J. Thompson et al., "The 3D profile method for identifying fibril-forming segments of proteins," Proc Natl Acad Sci, 103:4074-8, 2006.